基于魯棒模型的過程工藝與控制集成設計方法研究.pdf

1、在實際的化工過程中，過程的工藝設計和控制方案設計一般采用分步序貫設計方法來實現(xiàn)，即首先根據(jù)成本最優(yōu)準則，設計獲得基于穩(wěn)態(tài)過程模型的最佳過程工藝參數(shù)，再根據(jù)穩(wěn)態(tài)工藝條件設計控制系統(tǒng)的被控變量及操作變量以及相應的控制算法。這種設計方法有利于降低計算難度、減少計算量，但是卻割裂了工藝設計與控制器設計之間存在的內(nèi)在聯(lián)系。由于采用序貫設計法進行工藝設計時所預留的彈性區(qū)間沒有一個很好的衡量標準，因此，對于非線性較強的過程，基于穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得的工藝參數(shù)

2、與后續(xù)的控制器設計不能很好地匹配，有時甚至會導致過程的控制質(zhì)量低下?？紤]到序貫設計法的不足，逐漸將目光轉移到了工藝與控制的集成設計領域。相關研究表明，在工藝設計的同時考慮過程控制器的設計能獲得較優(yōu)甚至全局最優(yōu)的經(jīng)濟性能和動態(tài)性能。本文以化工過程中常見的連續(xù)攪拌釜式反應器（CSTR）作為研究對象，開展過程工藝與控制系統(tǒng)集成設計方法研究，主要工作如下：
　?。?）通過查閱大量有關過程工藝與控制系統(tǒng)集成設計方法研究的國內(nèi)外文獻，對過程工

3、藝與控制系統(tǒng)集成設計問題的研究框架、集成設計框架中擾動和不確定性的處理方法以及集成設計問題的求解方法等進行了一個總結與分析；并結合研究對象，對描述非線性過程的不確定性魯棒模型的相關理論進行了綜述。
　?。?）研究了基于魯棒模型的過程工藝與控制系統(tǒng)集成優(yōu)化設計方法，該方法的核心思想是將閉環(huán)過程的非線性行為辨識成不確定性狀態(tài)空間模型，然后基于該魯棒模型利用二次李雅普諾夫函數(shù)（QLF）來保證閉環(huán)過程的漸近穩(wěn)定性，同時也可以利用線性矩陣不

4、等式（LMI）來獲得該閉環(huán)過程在外部擾動情況下過程變量的最壞輸出情況。最后將整個集成設計問題由動態(tài)優(yōu)化問題轉變成一個帶約束的非線性規(guī)劃問題。將該集成設計方法用于CSTR反應器工藝和控制系統(tǒng)設計，研究結果表明，與一般的基于動態(tài)優(yōu)化的過程工藝與控制系統(tǒng)集成設計方法相比，其計算難度大大降低，能夠獲得經(jīng)濟性能與動態(tài)性能更優(yōu)的化工過程。
　?。?）針對工業(yè)過程中廣泛采用先進控制/常規(guī)控制分層遞階控制結構實際情況，即在底層采用常規(guī)控制（PID

5、）快速抑制進入系統(tǒng)的干擾，上層采用先進控制（APC）獲得優(yōu)良的跟蹤性和魯棒性。在基于魯棒模型的過程工藝與控制系統(tǒng)集成設計方法研究基礎上，提出了一種基于先進控制/常規(guī)控制的分層遞階控制策略的過程工藝與控制系統(tǒng)集成設計方法。通過在集成設計框架中引入LQR-PI分層控制策略來提高過程的動態(tài)性能，從而減小由于預設特定擾動形式及利用魯棒模型求解過程輸出最壞情況時給整個設計結果帶來的保守性。首先，將被控對象和常規(guī)PI控制器構成廣義對象，并將其作為先